ฟิสิกส์: ความร้อน (Thermal)

ความร้อน เป็นพลังงานรูปหนึ่งที่เปลี่ยนมาจากพลังงานรูปอื่น เช่น พลังงานไฟฟ้า พลังงานกล (พลังงานศักย์และพลังงานจลน์) พลังงานเคมี พลังงานนิวเคลียร์ หรืองาน เป็นต้น

พลังงานความร้อนมีหน่วยเป็นจูล (Joule, J ) ในระบบเอสไอ (SI) แต่บางครั้งอาจบอกเป็นหน่วยอื่นได้ เช่น แคลอรี (cal) และบีทียู (BTU)

พลังงานความร้อน 1 แคลอรี คือพลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำมวล 1 กรัม มีอุณหภูเพิ่มขึ้น 1

องศาเซลเซียส (^°C ) ในช่วง 14.5 ^°C ถึง 15.5 ^°C

พลังงานความร้อน 1 บีทียู คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำที่มีมวล 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์ (^°F) ในช่วง 58.1 ^°F ถึง 59.1 ^°F

จากการทดลองพบว่า

1 cal = 4.186 J

1 BTU = 252 cal = 1055 J

อุณหภูมิ

นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดว่าอุณหภูมิ คือ ปริมาณที่แปรผันโดยตรงกับพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส การที่เราจะบอกว่าวัตถุใดร้อนมากหรือน้อย เราสามารถบอกได้ด้วยอุณหภูมิของวัตถุนั้น คือ วัตถุที่มีระดับความร้อนมากจะมีอุณหภูมิสูง วัตถุที่มีระดับความร้อนน้อยจะมีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้นถ้าเราเอาวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาสัมผัสวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ พลังงานความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ จนวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน

อุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิเรียกว่า เทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์มีหลายชนิด เช่น

1. สเกลองศาเซลเซียส (Celsius, ^°C) หรือบางที่เรียกว่าองศาเซนติเกรด (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 0 เซลเซียสและจุดเดือดเป็น 100 เซลเซียส ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน )

2. สเกลองศาเคลวิน (Kelvin, ^°K) เป็นหน่วยของอุณหภูมิสัมบูรณ์ (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 273.16 เคลวินและจุดเดือดเป็น 373.16 เคลวิน ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน) ##หน่วยเคลวินเป็นหน่วยมาตรฐานในระบบเอสไอ

ปริมาณความร้อนของวัตถุ (HEAT, Q)

เป็นพลังงานความร้อนที่วัตถุรับเข้ามาหรือคายออกไป จากการศึกษาผลของความร้อนต่อสสารหรือวัตถุในชั้นนี้จะศึกษาเพียงสองด้าน คือ

1. ความร้อนจำเพาะ (Specific heat ) หมายถึง พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลงโดยสถานะยังคงรูปเดิม

2. ความร้อนแฝง (Latent Heat) หมายถึง พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะโดยอุณหภูมิคงที่

ความจุความร้อน ( Heat capacity, C )

ความจุความร้อน คือความร้อนที่ทำให้สารทั้งหมดที่กำลังพิจารณามีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งหน่วย โดยสถานะไม่เปลี่ยน

ถ้าให้ปริมาณความร้อน ΔQ แก่วัตถุ ทำให้อุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป ΔT ดังนั้นถ้าอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป 1 หน่วย จะใช้ความร้อน C คือ

C = ΔQ/ΔT มีหน่วยเป็น จูล/เคลวิน (J/K)

ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat capacity , c ) คือความร้อนที่ทำให้สาร(วัตถุ) มวลหนึ่งหน่วยมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งเคลวิน คือ ความจุความร้อนจำเพาะของสาร(J/kg-K)

c = ΔQ/mΔT

นั่นคือ เมื่อสารมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มจาก T₁ เป็น T₂ และความจุความร้อนจำเพาะมีค่าคงตัว ความร้อนที่สารได้รับ คือ ΔQ = mcΔT

การเปลี่ยนสถานะของสาร

สารและสิ่งของที่อยู่รอบตัวเราจะพบว่ามีอยู่ 3 สถานะ คือ ของแข็ง (น้ำแข็ง) ของเหลว (น้ำ) และแก๊ส (ไอน้ำ) ได้

I. ของแข็ง แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่ามาก ทำให้โมเลกุลอยู่ใกล้กัน จึงทำให้รูปทรงของของแข็งไม่เปลี่ยนแปลงมากเมื่อมีแรงขนาดไม่มากนักมากระทำ ตามคำจำกัดความนี้ เหล็ก คอนกรีต ก้อนหิน เป็นของแข็ง

II. ของเหลว แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่าน้อย โมเลกุลจึงเคลื่อนที่ไปมาได้บ้าง จึงทำให้รูปทรงของของเหลวเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่ที่บรรจุ น้ำ น้ำมัน ปรอท เป็นของเหลว

III. แก๊ส แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่าน้อยมาก จนโมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันมากและเคลื่อนที่ได้สะเปะสะปะ ฟุ้งกระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ เช่นอากาศและแก๊สชนิดต่างๆ

การขยายตัวของวัตถุเนื่องจากความร้อน

วัตถุโดยทั่วไปเมื่อได้รับความร้อนจะขยายตัว การขยายตัวของวัตถุจะขึ้นอยู่กับรูปร่างคือ

วัตถุที่มีความยาวมีลักษณะเป็นเส้นหรือแท่งยาว จะมีการขยายตัวตามเส้น (การขยายตัวตามยาว)
วัตถุที่เป็นแผ่นจะมีการขยายตัวตามพื้นที่
วัตถุที่มีรูปร่างเป็นปริมาตรจะมีการขยายตัวตามปริมาตร

ในทางกลับกันถ้าวัตถุสูญเสียความร้อนก็จะหดตัว

ขยายตัวตามเส้น ขยายตัวตามพื้นที่ ขยายตัวตามปริมาตร

สมบัติที่สำคัญๆ เกี่ยวกับการขยายของของแข็ง ได้แก่

1. ของแข็งต่างชนิดกัน ถ้าเดิมมีความยาวเท่ากัน เมื่อร้อนขึ้นเท่ากันจะมีส่วนขยายตัวเพิ่มขึ้นไม่เท่ากัน

2. ของแข็งชนิดเดียวกัน ถ้าเดิมมีความยาวเท่ากัน เมื่อร้อนขึ้นเท่ากันจะมีส่วนขยายตัวเพิ่มขึ้นเท่ากัน

3. การขยายตัวของวัตถุเป็นเรื่องที่สำคัญมากในทางวิศวกรรม เช่น การวางเหล็กรางรถไฟ การขึงสายไฟฟ้าแรงสูงเป็นต้น

การถ่ายโอนความร้อน (Heat Transfer)

ความร้อนจะถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่วัตถุที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) การถ่ายโอนความร้อนมี 3 แบบ คือ

รูป แสดงการถ่ายโอนความร้อนแบบต่าง ๆ

1. การนำ เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านตัวกลางซึ่งโดยมากจะเป็นพวกโลหะต่างๆ เช่น เราเอามือไปจับช้อนโลหะที่ปลายข้างหนึ่งแช่อยู่ในน้ำร้อน มือเราจะรู้สึกร้อน เพราะความร้อนถูกส่งผ่านจากน้ำร้อนมายังมือเราโดยมีช้อนโลหะเป็นตัวนำความร้อน

2. การพา เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของตัวกลางเป็นตัวพาความร้อนไปจากบริเวณที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่บริเวณที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) เช่นเวลาต้มน้ำ ความร้อนจากเตาทำให้น้ำที่ก้นภาชนะร้อนจะขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำด้านบนจึงลอยตัวสูงขึ้นส่วนน้ำด้านบนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าและความหนาแน่นมากก็จะจมลงมาแทนที่ การหมุนวนของน้ำทำให้เกิดการพาความร้อน

3. การแผ่รังสี เป็นการส่งพลังงานความร้อนที่อยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีอินฟราเรด) ดังนั้นจึงไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่นการแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก โดยทั่วไปวัตถุที่แผ่รังสีได้ดีก็จะรับ (ดูดกลืน) รังสีได้ดีด้วย วัตถุชนิดนั้นเราเรียกว่าวัตถุดำ (Black Body) วัตถุดำไม่มีในธรรมชาติ มีแต่ในอุดมคติ ดังนั้นวัตถุที่มีลักษณะใกล้เคียงวัตถุดำคือ วัตถุที่มีสีดำ ในทางกลับกันวัตถุขาวจะไม่ดูดกลืนรังสีและ ไม่แผ่รังสีที่ตกกระทบ มีแต่ในอุดมคติเท่านั้น